Что такое оплавление печатной платы? Высокоскоростной анализ пути перекомпоновки сигналов
Привет всем, я Роуз. Добро пожаловать обратно в новый пост сегодня. Тот факт, что электроны никогда не остаются на одном месте и должны возвращаться независимо от того, куда течет ток, является одним из свойств потока электронов. В результате ток течет в контуре постоянно, и любой сигнал в цепи существует как замкнутый контур.
Темы, затронутые в этой статье: |
Ⅰ. Основная концепция перекомпоновки |
Ⅱ. Эффект перекомпоновки |
Ⅲ. Знание теории пути перекомпоновки |
Ⅳ. Решение проблемы перекомпоновки |
Ⅰ. Основная концепция перекомпоновки
Цифровой сигнал распространяется от одного логического элемента к другому в схеме цифровой схемы. Сигнал передается по проводу от выхода к принимающей стороне. Кажется, что оно течет только в одном направлении. В результате многие цифровые инженеры полагают, что петлевой путь не связан между собой.
В конце концов, и драйвер, и приемник являются устройствами, работающими в режиме напряжения, так зачем же учитывать ток?
На самом деле, согласно базовой теории цепей, сигнал передается током, а именно движением электронов. Тот факт, что электроны никогда не остаются на одном месте и должны возвращаться независимо от того, куда течет ток, является одним из свойств потока электронов. В результате ток течет в контуре постоянно, и любой сигнал в цепи существует как замкнутый контур.
На самом деле это метод зарядки диэлектрического конденсатора , расположенного между линией передачи и слоем постоянного тока для передачи высокочастотного сигнала.
Ⅱ. Эффект перекомпоновки
Плоскости заземления и питания обычно используются для завершения перекомпоновки в цифровых схемах. Высокочастотные частоты и низкочастотные сигналы имеют различные обратные пути. Выберите путь с наименьшим сопротивлением для возврата низкочастотного сигнала и путь с наименьшей индуктивностью для возврата высокочастотного сигнала.
Всегда существует обратный ток в противоположном направлении, когда ток начинается с формирователя сигнала, протекает через сигнальную линию и подается на сторону приема сигнала: начиная с заземляющего контакта нагрузки, проходя через медную плоскость, течет к источник сигнала и проходит через принимающую сторону сигнала. Замкнутый контур формируется током в сигнальной линии.
Частота сигнала равна частоте шума, создаваемого током, протекающим через медную пластину. Частота сигнала пропорциональна частоте шума.
Логический вентиль реагирует на разницу между входным сигналом и опорным выводом, а не на абсолютный входной сигнал. Разница между входящим сигналом и его опорной плоскостью логического заземления запускает одноточечную схему согласования. В результате как помехи в опорной плоскости земли, так и помехи на пути прохождения сигнала одинаково важны. Логический вентиль реагирует на входной контакт и назначенный опорный контакт, и мы не знаем, какой из них какой (для TTL это обычно отрицательный источник питания; для ECL это обычно положительный источник питания, но не для всех из них). ). С точки зрения этого свойства, способность дифференциального сигнала противостоять помехам может уменьшить шум отражения от земли и скольжение плоскости мощности.
Из-за наличия провода питания и заземляющего провода, когда несколько цифровых сигналов на печатной плате переключаются синхронно (например, шина данных ЦП, адресная шина и т. д.), переходный ток нагрузки течет из источника питания в цепь. или из цепи в заземляющий провод. Импеданс вызывает синхронный шум переключения (SSN), а также шум отскока земли (также известный как отскок земли) на линии заземления. Когда линия электропередачи и линия заземления на печатной плате имеют большую окружающую область, их излучаемая энергия также больше.
В результате мы изучаем состояние переключения цифрового чипа и предпринимаем шаги по управлению механизмом оплавления, чтобы достичь цели уменьшения окружающей площади и снижения степени радиации.
например:
Выходной терминал сигнала — IC1, терминал входного сигнала — IC2 (приемный терминал должен иметь нисходящий резистор для упрощения модели печатной платы), а заземляющий слой — это третий слой. Заземляющие плоскости IC1 и IC2 относятся к третьей заземляющей плоскости. Плоскость питания соединяет положительный полюс источника питания с правым верхним углом верхнего слоя. Развязывающие конденсаторы IC1 и IC2 — C1 и C2 соответственно. Выводы питания и заземления микросхемы, изображенные на схеме, соответствуют питанию и земле передающей и принимающей сторон.
Если клемма S1 выдает высокий уровень на низких частотах, вся токовая петля заключается в том, что источник питания соединяется с плоскостью питания VCC проводом, затем поступает в IC1 по оранжевому пути, выходит из клеммы S1 и входит в IC2 через клемму S1. второй слой провода через клемму R1. Затем по красному каналу войдите в слой GND и вернитесь к отрицательному полюсу источника питания.
На сигнал будут сильно влиять свойства распределения печатной платы на высоких частотах. Земляной возврат, который мы часто обсуждаем, является распространенной проблемой в высокочастотной связи. Когда ток в сигнальной линии увеличивается от S1 до R1, внешнее магнитное поле быстро меняется, вызывая обратный ток в окружающих проводниках. Если плоскость заземления третьего слоя является полностью заземленной, на ней будет генерироваться ток, как показано синей пунктирной линией. Возвратный поток будет идти вдоль синей пунктирной линии на уровне TOP, если уровень TOP имеет полную плоскость мощности. В этот момент сигнальная петля имеет наименьший ток, наименьшее количество энергии, излучаемой наружу, и наименьшую способность связывать внешние сигналы. Скин-эффект — это наименьшая энергия внешнего излучения на высоких частотах, и концепция та же.
Микросхема питается от ближайшего к микросхеме развязывающего конденсатора , поскольку уровень высокочастотного сигнала и ток изменяются быстро, но с коротким временем изменения, поэтому требуемая энергия не особенно высока. Оранжевый путь на верхнем слое и красный путь на слое GND можно считать несуществующими, когда C1 достаточно велик и реакция достаточно быстрая (с очень низким значением ESR) (есть ток, соответствующий источнику питания всю плату, но не ток, соответствующий сигналу, показанному на рисунке).
В результате весь ход тока, согласно окружению, изображенному на схеме, таков: от положительного полюса C1 к VCC IC1 к сигнальной линии S1 к L2 R1 к GND IC2 к желтому путь от слоя GND к переходному отверстию к отрицательному электроду конденсатора.
В вертикальном направлении тока существует коричневый эквивалентный ток, а в середине будет индуцировано магнитное поле. Этот тор может легко одновременно быть связан с внешним возмущением.
Если сигнал на диаграмме является тактовым сигналом, набор 8-битных линий данных соединены параллельно, питаются от одного и того же источника питания чипа, и путь возврата тока тот же.
В часах будет индуцирован сильный обратный ток, если уровень линии данных изменится в одном и том же направлении в один и тот же момент. Этих перекрестных помех достаточно, чтобы отключить тактовый сигнал, если линия тактирования не согласована должным образом. Сила перекрестных помех этого типа пропорциональна скорости изменения тока источника помех, а не абсолютному значению высокого и низкого уровней источника помех. Ток перекрестных помех пропорционален: dI/dt=dV/(T10% -90% *R) для чисто резистивной нагрузки.
Параметры источника помех в формуле: dI/dt (скорость изменения тока), dV (амплитуда качания источника помех) и R (нагрузка источника помех). При работе с емкостной нагрузкой dI/dt обратно пропорционален квадрату T10% -90%.
Как показывают расчеты, низкочастотные сигналы могут иметь не меньшие перекрестные помехи, чем высокоскоростная связь. То есть сигнал частотой 1 кГц не всегда является низкоскоростной передачей; мы должны изучить все состояние на краю. Сигнал с крутым фронтом имеет большую амплитуду в каждой точке умножения частоты и содержит множество гармонических составляющих.
Поэтому следует быть осторожными при выборе устройств. С осторожностью выбирайте микросхемы с быстрой скоростью переключения. Мало того, что стоимость будет непомерно высокой, но это также усугубит проблемы перекрестных помех и ЭМС.
Любая близлежащая плоскость питания или другая плоскость может использоваться в качестве обратной плоскости этого сигнала, если на обоих концах сигнала имеется соответствующий конденсатор, обеспечивающий малореактивный путь к GND. Соответствующий источник питания ввода-вывода микросхемы для отправки и приема часто один и тот же в обычных приложениях, и между каждым источником питания и землей обычно имеются развязывающие конденсаторы емкостью 0,01–0,1 мкФ, и эти конденсаторы также находятся на двух концах сигнала, поэтому Эффект перекомпоновки силовой плоскости уступает только эффекту земляной плоскости. Однако когда для обратного потока используются дополнительные силовые плоскости, на обоих концах сигнала редко возникает путь с низким реактивным сопротивлением к земле. Ток, производимый в соседней плоскости, затем найдет ближайшую к ней емкость и вернется в землю. Если «ближайший конденсатор» находится далеко от начала или конца, обратный путь должен пройти значительное расстояние, чтобы пройти полный обратный путь, и этот путь также служит обратным путем для соседних сигналов. Помехи от дорог и земли имеют одинаковый эффект, аналогичный перекрестным помехам в сигнале.
Фильтр верхних частот (например, резисторная цепочка с сопротивлением 10 Ом, конденсатор 680p), создаваемый конденсатором или последовательным соединением RC (например, резисторная цепочка с сопротивлением 10 Ом, конденсатор 680p), может быть прикреплен к разделителю для некоторых неизбежных перекрестных делений. Точное значение определяется типом сигнала, то есть обеспечить высокочастотный обратный путь, одновременно изолируя низкочастотные перекрестные помехи между взаимными плоскостями). Это может повлечь за собой проблему установки конденсаторов между плоскостями питания, что поначалу забавно, но очень эффективно. Если некоторые стандарты запрещают это, вы можете подключить конденсаторы к земле на двух плоскостях деления.
Рекомендуется подключить несколько крошечных конденсаторов к земле на обоих концах сигнала, чтобы обеспечить обратный путь при использовании других плоскостей для обратного потока. Однако зачастую эту стратегию трудно реализовать. Потому что согласующий резистор микросхемы и развязывающий конденсатор занимают большую часть площади поверхности вывода.
В базовой плоскости возвратный шум является одним из наиболее распространенных источников шума. В результате необходимо исследовать ход и диапазон обратного тока.
Ⅲ. Знание теории пути перекомпоновки
Схема на печатной плате изображена на изображении ниже. По проводу течет ток. На поверхности мы обычно видим только кабель, передающий сигнал. Фактически, ток всегда идет от драйвера к приемнику. Он может течь только в одном направлении: вокруг петли. Мы видим линию передачи, но направление возврата тока обычно скрыто. Обычно они возвращаются через землю и энергетические планы. Путь петли трудно оценить, поскольку реальной линии нет. Их в определенной степени трудно регулировать.
Каждый провод и его петля на печатной плате образуют токовую петлю, как показано на рисунке 3.1. Когда внезапный ток проходит через проводную петлю в цепи, в пространстве образуется электромагнитное поле, которое воздействует на соседние провода по принципу электромагнитного излучения. Радиация – это термин, используемый для описания акта, вызывающего воздействие. Чтобы ограничить влияние радиации, мы должны сначала понять фундаментальные принципы радиации, а также характеристики, связанные с интенсивностью излучения.
Рис. 3.1. Излучение дифференциальной моды на печатных платах
Эти петли похожи на миниатюрные антенны, которые во время использования излучают магнитные поля в космос. Для его имитации мы используем излучение крошечной рамочной антенны. С током I и областью S создайте крошечную петлю. В свободном пространстве напряженность электрического поля, измеренная в дальнем поле r, равна:
Уравнение 3.1 подходит для крошечного кольца, помещенного в свободную область без отражения от поверхности. Фактически, а не свободное место, наш продукт выносится на землю. Измеренное излучение увеличится на 6 дБ из-за отражения от соседней земли. Чтобы учесть это, уравнение 3.1 необходимо умножить на 2. Если устранить отражение от земли и принять во внимание наибольшее направление излучения, формула 3.1 будет выглядеть следующим образом:
Согласно уравнению 3.2, излучение пропорционально току контура и площади контура, а также квадрату частоты тока.
Частота тока тесно связана с течением обратного тока в печатной плате. Согласно базовому пониманию схемы, постоянный или низкочастотный ток всегда течет в направлении наименьшего импеданса, а высокочастотный ток всегда течет в направлении наименьшего индуктивного реактивного сопротивления с заданным сопротивлением.
Если не учитывать отверстия и канавки переходных отверстий на медной плоскости, то путь с наименьшим импедансом, т.е. путь низкочастотного тока, состоит из дуговых линий на медной плоскости, как показано на рисунке 3.2. Удельное сопротивление каждой дуги связано с плотностью тока на этой дуге.
Рисунок 3.2. Путь высокочастотного тока на медной поверхности печатной платы
Как показано на рисунке 3.3, обратный путь с наименьшей индуктивностью, т. е. обратный путь для высокочастотного тока, находится на медной пластине непосредственно под сигнальной проводкой. Этот обратный путь уменьшает объем пространства, окруженного рамкой, а также силу магнитного поля (или способность принимать космическое излучение), которое рамочная антенна, генерируемая этим сигналом, излучает в пространство.
Ее можно считать подходящей линией передачи для умеренно длинной прямой проводки. Он распространяет обратный ток сигнала через область в форме полосы с сигнальной проводкой в качестве центральной оси. Плотность тока уменьшается по мере увеличения расстояния от центральной оси сигнальной проводки.
Как показано на рисунке 3.3. формуле 3.3 примерно удовлетворяет это соотношение:
формула3.3
Рисунок 3.3. Карта распределения плотности тока возвратных линий электропередачи.
В таблице 3.1 показана доля обратного тока, протекающего через ленточную область с центром и шириной линии передачи в качестве центра и ширины, согласно формуле 3.3.
Таблица 3.1. Доля обратного тока, протекающего
Согласно формуле 3.3, в таблице 3.1 показана доля обратного тока, протекающего через ременную область, где центр и ширина линии передачи являются центром и шириной.
Шумовые помехи обратного тока сигнала в медную плоскость являются локальными, когда под сигнальной проводкой находится непрерывная, плотная и полная медная пластина. Пока соблюдается принцип расположения и локализации проводки, то есть расстояние между линиями цифровых сигналов, цифровыми устройствами и линиями аналоговых сигналов, а также аналоговыми устройствами искусственно увеличивается до определенной степени, влияние обратного тока цифрового сигнала на аналоговых схем можно значительно сократить. вмешательство.
Высокочастотный переходный обратный ток течет обратно к стороне привода через плоскость, прилегающую к сигнальной дорожке (плоскость заземления или плоскость питания). Нагрузка на клемму трассы сигнала драйвера подключается через трассу сигнала и плоскость (плоскость заземления или плоскость питания), непосредственно примыкающую к ней.
Энергия излучения линии электропередачи и линии заземления на печатной плате увеличивается по мере увеличения окружающей их области. В результате, ограничивая обратный путь и, следовательно, степень радиации, мы можем уменьшить окружающую область.
Ⅳ. Решение проблемы перекомпоновки
Соединения микросхем, резка медной поверхности и переходные отверстия являются тремя наиболее распространенными причинами проблем с пайкой печатных плат. Ниже приводится подробное рассмотрение этих переменных.
4.1 Проблемы оплавления, вызванные соединением чипов
Когда цифровая схема включена, напряжение преобразуется из высокого в низкое, вызывая переходный ток нагрузки, протекающий от источника питания к цепи или от цепи к земле.
Входное сопротивление вывода цифровых устройств можно считать бесконечным, что аналогично разомкнутой цепи I = 0 на схеме ниже). Ток контура фактически генерируется микросхемой, источником питания, распределенной емкостью и распределенной индуктивностью слоя заземления. возвращаться. Например, выходная цепь коллектора используется в качестве внутренней цепи выходного сигнала в следующем анализе.
4.1.1 Приводная сторона переключается с низкого уровня на высокий уровень
Когда выходной сигнал меняется от низкого к высокому, это аналогично тому, как выходной контакт передает электричество по линии передачи. Мы полагаем, что ток не течет из входной ветви лампы микросхемы из-за бесконечного входного сопротивления. Ток должен вернуться на вывод питания выходного чипа.
①Следы сигнала расположены близко к плоскости питания.
Ток поступает в устройство через контакт питания привода и течет от выходного конца привода к стороне нагрузки; Высокочастотный переходный обратный ток течет обратно к выходной клемме драйвера на плоскости питания ниже сигнальной дорожки, а обратный ток непосредственно проходит через плоскость питания, попадая в драйвер от контакта питания привода и вытекая из выходной конец привода к нагрузочному концу;
②След сигнала находится близко к плоскости земли.
Ток поступает в устройство через вывод питания драйвера и течет от выходного конца драйвера к стороне нагрузки; драйвер заряжает линию передачи, образованную сигнальной трассой, силовой плоскостью и терминальной нагрузкой; ток поступает в устройство через вывод питания драйвера и течет от выходного конца драйвера к стороне нагрузки;
Ниже трассы сигнала высокочастотный переходный обратный ток течет обратно к выходной клемме драйвера на земле. Чтобы перейти от плоскости заземления к плоскости питания, а затем от выходной клеммы драйвера, обратный ток должен использовать разделительный конденсатор между плоскостью питания и плоскостью земли. Токовая петля образуется, когда вывод питания драйвера входит в драйвер.
4.1.2 Приводная сторона переключается с высокого уровня на низкий уровень
Это эквивалентно тому, что выходной контакт поглощает ток в линии передачи.
① Трассы сигнала расположены близко к силовой плоскости.
Линия передачи, созданная сигнальной дорожкой, силовой плоскостью и выходной клеммой драйвера, разряжается нагрузкой. Ток поступает в устройство через выходной контакт драйвера, вытекает из контакта заземления драйвера, попадает в плоскость заземления и проходит через источник питания рядом с контактом заземления драйвера. Высокочастотный переходный обратный ток течет обратно к стороне нагрузки на плоскости питания под сигнальными дорожками, создавая токовую петлю. Конденсаторы связи плоскости и земли пересекаются с плоскостью питания и возвращаются на сторону нагрузки.
② Траектория сигнала расположена близко к заземляющей поверхности.
Нагрузка разряжает линию передачи, образованную сигнальной дорожкой, плоскостью питания и выходной клеммой драйвера, и ток течет в устройство от выходного контакта драйвера, из контакта заземления, в плоскость заземления и обратно в нагрузку. конец; высокочастотный переходный обратный ток. Сформируйте токовую петлю, возвращаясь к концу нагрузки на заземляющем слое ниже сигнальной дорожки.
Конденсатор связи между слоем питания и слоем земли должен быть расположен между выходным контактом драйвера и контактом заземления, чтобы обеспечить обратный канал для обратного тока. В противном случае, для обратного потока, обратный ток определит кратчайший путь связи между плоскостью питания и плоскостью земли (что затрудняет прогнозирование и контроль обратного пути, вызывая перекрестные помехи на других трассах).
4.2 Решения проблем оплавления, вызванных резкой омеднением
Потери напряжения, вызванные сопротивлением, можно уменьшить, используя заземляющую и силовую пластины. Ток контура возвращается на землю, как показано на схеме. Падение напряжения обязательно произойдет в точках 1 и 2 из-за наличия резистора R1. Чем больше сопротивление, тем больше падение напряжения, что приводит к несоответствию уровня земли. Возможно, имеется слой земли. Это сигнальная линия с бесконечной шириной и низким сопротивлением. Заземляющий слой, ближайший к сигналу, всегда получает контурный ток. Если сигнал находится между двумя идентичными плоскостями заземления, ток в контуре будет проходить через обе плоскости одинаково, если в земле имеется более одного слоя.
4.2.1 При условии локализации компоновки и электропроводки,
Аналоговая и цифровая заземляющая пластина имеют одну и ту же медную пластину, поэтому между цифровыми и аналоговыми землями нет различий, и шум цифровой схемы не будет добавляться к шуму системы аналоговой схемы.
4.2.2 В цифровой и аналоговой смешанной системе
Поскольку общее расположение цифровой и аналоговой земли выбрано за пределами платы, две медные плоскости полностью независимы, а сигнальная линия между цифровой и аналоговой цепями не имеет характеристик линии передачи, что приводит к серьезным проблемам с целостностью сигнала в система. Заземляющий слой не разделен, а цифровые и аналоговые цепи используют одну и ту же систему питания. Модуль цифровой схемы и модуль аналоговой схемы имеют общую схему в архитектуре смешанной цифровой и аналоговой системы, которая основана на модульной компоновке и локализованной проводке. Неразделенная плоскость опорного напряжения не только предотвращает взаимодействие цифровых схем с аналоговыми схемами, но также устраняет проблему «перекрестного канала» сигнальной линии, что может значительно минимизировать перекрестные помехи сигнала и шум отражения земли системы. Точность входной аналоговой схемы была увеличена.
4.3 Решения проблем с обратным потоком, вызванных переходными отверстиями
Многие сигналы необходимо изменить в сигнальной проводке печатной платы, если это многослойная плата, чтобы выполнить задачу подключения. В данный момент используется огромное количество переходных отверстий. Переходные отверстия имеют два эффекта при перекомпоновке: первый — это переходные отверстия. Первый – это течение слоя скачка оплавления, вызванное сквозным отверстием, которое перекрыто траншеей.
4.3.1 Траншеи, образованные переходными отверстиями
Многие сигналы необходимо изменить в сигнальной проводке печатной платы, если это многослойная плата, чтобы выполнить задачу подключения. В данный момент используется огромное количество переходных отверстий. Когда переходные отверстия плотно расположены в плоскости питания или земли, несколько переходных отверстий могут быть соединены вместе, образуя так называемую канавку, как показано на рисунке. Прежде всего, мы должны оценить обстоятельства, чтобы определить, должен ли прилив пройти через траншею. Переток сигнала не будет затруднен, если ему не придется проходить через траншею. Создаваемый антенный эффект будет быстро нарастать, если контур контура обойдет эту бороздку и вернется, вызывая помехи окружающим сигналам. После получения данных о покрытии мы обычно можем исправить места, где отверстия слишком плотные, и образуются канавки так, чтобы между отверстиями оставалось заданное расстояние.
4.3.2 Явление скачка слоя, образованное переходными отверстиями
В целях исследования в качестве примера мы будем использовать шестислойную плату. На шестислойной плате находятся два слоя покрытия, на втором слое — слой земли, на пятом — слой питания. В результате перекомпоновка сигналов поверхностного слоя и третьего слоя происходит преимущественно в земляном слое, тогда как перекомпоновка сигналов нижнего и четвертого слоев происходит преимущественно в силовом слое.
Когда дело доходит до многослойной проводки, существует шесть вариантов:
Поверхностный слой
Поверхностный слой
Поверхностный слой
Третий этаж
Третий слой
Четвертый этаж
В зависимости от тока в контуре шесть возможных сценариев можно разделить на две категории: ток в контуре течет в одном и том же слое, а также в разных слоях, что указывает на наличие явления скачка уровня.
①Когда контурный ток течет по одному и тому же слою
Поверхностный слой становится третьим слоем, а четвертый слой становится нижним слоем.
В этой ситуации ток контура течет по одному и тому же слою. С другой стороны, внутренняя напряженность электрического поля полного проводника в электрическом поле равна нулю, и все токи протекают по поверхности проводника в соответствии с концепцией электростатической индукции. Источник питания и земляной слой. Плоскость является одним из этих проводников.
Все переходные отверстия, которые мы используем, являются сквозными. Когда эти переходные отверстия проходят через источник питания и плоскость заземления, создаются отверстия, которые позволяют току течь между верхней и нижней поверхностями слоя покрытия. В результате обратный путь сигнальных линий превосходен. Нет необходимости предпринимать шаги для улучшения.
②Ситуация, когда контурный ток течет по разным слоям.
Поверхностный слой->четвертый слой, поверхностный слой->нижний слой, третий слой->четвертый слой и третий слой->нижний слой — все это примеры.
Чтобы изучить проблему перекомпоновки, рассмотрим случаи поверхностный слой->нижний слой и третий слой->четвертый слой.
Чтобы обеспечить обратный канал для сигналов с явлением скачка слоя, необходимо добавить несколько развязывающих конденсаторов рядом с плотной областью переходных отверстий, обычно это магнитные конденсаторы емкостью 0,1 мкФ.
Frequently Asked Questions
















